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1、. . . 语音信号处理技术目 录目 录1摘 要2Abstract3前 言4(一)课题介绍4(二)文献综述4一 绪 论6(一)语音信号处理的研究意义6(二)国外语音信号的研究背景和现状6(三)本设计的主要研究容7二 语音信号概述8(一)语音信号的特点8(二)语音信号处理的理论基础9(三)Matlab基础11三 基于MATLAB的语音信号短时傅里叶变换14(一)语音信号频谱分析理论基础14(二)短时傅里叶变换原理14四 基于Matlab的语音信号特效处理18(一)语音信号常见的特效14(二)语音信号特效处理的原理14五 设计实现(一) 系统设计流程图18(二) 实时录放音实现方法18(三) 信号
2、延时的设计23(四) 频谱搬移的设计24(五) 短时傅里叶变换的设计25(六) 信号特效处理的设计28(七) 测试结果分析25六 结束语30七 致词31参考文献32附录33摘 要语音信号处理技术是语音处理领域中新近发展起来的一个学科分支。Matlab是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，运用它来进行语音信号的采集、分析和处理相当便捷。本文对话音变换的多种方法和多种音频特效的实现方法进行了讨论，并给出了Matlab 语言的描述。综合话音变换和一部分音频特效技术，设计了一种广泛适合于电影配音、话音安全以及娱乐等多领域的实时变声器，并在短时傅里叶基础上分析了语音信号的频谱。关键词：话音变换
3、，音频特效，Matlab，短时傅里叶变换 AbstractThe speech signal processing technology is in the field of speech processing newly developed a subject branch. Matlab is a data analysis and processing functions very strong engineering practical software, the use of it to carry on the speech signal collection, analysis
4、and processing is quite convenient.In this paper, the voice of a variety of methods and a variety of transform audio effects method of realization of the discussions, and gives the Matlab language description. Comprehensive voice transform and some of the audio special effects technology, design a w
5、idely suitable for soundtrack, voice security and entertainment the fields of real-time voice changer, and in the short-time Fourier analysis based on the speech signal spectrum.Keywords: Voice transformation Special sound efficiency Matlab STFT前 言(一)课题介绍随着数字化时代的来临，科学技术的进步而生产发展需求的与日俱增，促进了数字信号处理学科的发展
6、，产生了各种巧妙的信号处理算法；特别是计算机技术的飞速发展，为数字信号处理增添了巨大的生命力。而语音信号是最常见、应用最广泛的信号之一，研究数字技术在语音信号上的应用具有十分重要的意义。本文所设计的语音信号短时傅里叶分析和特效处理系统，可以实时录放音，并对声音信号进行延时、频谱搬移。语音信号的短时傅里叶变换解决了FFT在非平稳随机过程中的应用局限。在此基础上，对语音信号进行了各种场景的模拟，此技术广泛应用于电影配音、话音安全以及娱乐等多领域。(二)文献综述/前景与改进。随着计算机技术和信息技术的发展， 语音交互已经成为人机交互的必要手段， 而语音信号的采集和处理是人机交互的前提和基础。 Mat
7、lab是美国Math Works公司推出的一种面向工程和科学计算的交互式计算软件， 它以矩阵运算为基础， 把计算、 可视化、 程序设计融合到了一个简单易用的交互式工作环境中。 同时由于Matlab是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件， 它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数,利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析以及信号的可视化， 使人机交互更加便捷。Matlab语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件， 它可以将声音文件变换为离散的数据文件， 然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据， 如数字滤波、 傅里叶变换、 时域和频域分析、
8、 声音回放以及各种分析图的呈现等。数字信号处理一书中，阐述了离散信号的Z变换，离散傅里叶变换，信号的窗函数处理方法等，这些都是语音信号处理的基础知识。书中详细介绍了窗函数的工作原理及设计方法，同时给出了多种离散数字信号的傅里叶变换算法。 数字信号处理实践教程一书提供了不同层次、不同类型的DSP处理实例，为本设计提供了参考。 MATLAB基础与应用介绍了MATLAB的使用方法，操作过程，语言描述，信号处理工具箱的应用方法等。通信原理一书介绍了信号的各种表现形式，不同信号所对应的调制与解调办法，为语音信号的频谱搬移提供了参考。本设计还参考了Matlab在数字语音分析中的应用、基于Matlab实现对
9、语音信号的频谱分析、基于帧的实时话音变换技术与DSP实现等方面的学术论文，当中讲述了语音信号的特征，如何有效处理语音信号及相关算法等。一 绪 论(一)语音信号处理的研究意义 当今，数字信号处理(DSP：Digtal Signal Processing)技术正飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同形式影响和渗透到其他学科，它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连，它影响或改变着我们的生产、生活方式，因此受到人们普遍的关注。数字信号处理主要是研究用数字或符号序列表示和处理信号。处理的目的可以是削弱信号中的多余容，滤除混杂的噪声和干扰，或者是将信号变换为容易分析和识别的形式，便于估计和选择它的特征
10、参数。声音信号是一维连续信号,而计算机只能处理离散信号。为了从离散信号还原连续信号,根据采样定理,可以确定采样频率的最小值。wav文件是一种数字声音文件格式,本课程设计基于Matlab分析了wav声音文件频谱与声音的关系。通过采集个人的一段声音进行频谱分析等处理，然后进行频谱分析和各种声音特效处理。/(二)国外数字滤波器的研究背景和现状(三)本设计的主要研究容本论文主要讨论了语音信号的分析及处理问题，分为七章：第一章为绪论，主要介绍了课题设计的背景、目的和意义。第二章介绍了语音信号的特点、分析的基本原理及相关Matlab的基础知识。第三章介绍了基于MATLAB的语音信号短时傅里叶变换的原理及理
11、论基础。第四章介绍了常见的语音特效及其处理办法。第五章介绍了整个系统的设计流程、系统设计框图。详细介绍了各部分模块电路的设计，并对最终效果进行调试。第六章总结了本次语音信号处理的设计工作。第七章 致词，感论文期间给与我帮助的老师同学。二 语音信号概述 语音信号处理技术是语音处理领域中新近发展起来的一个学科分支， MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件， 运用它来进行语音信号的采集、分析和处理相当便捷。 文章介绍了在Matlab环境中如何采集语音信号和语音信号采集后的频谱分析处理， 并通过实例分析了语音信号处理的Matlab。随着计算机技术和信息技术的发展， 语音交互已经成为
12、人机交互的必要手段， 而语音信号的采集和处理是人机交互的前提和基础。(一)语音信号的特点 语音转换（VC，voice conversion 或VT ，voice transformation ）是指改变一个说话人（源说话人，source speaker ）的语音个性特征，使之具有另外一个说话人（目标说话人，target speaker）的语音个性特征。 语音转换拥有很广泛的应用空间，例如： （1） 在文语转换（TTS，text-to-speech）系统中应用。 （2） 可以在电影配音中应用。 （3） 语音转换的思想可以用于恢复受损语音，帮助声道受损的说话人的语音提高可 懂度。 （4 ） 可用于
13、在通信中进行语音个性化的伪装。 （5） 作为语音识别的前端预处理，减少说话人差异的影响。 语音的个性化特征可以分为以下三类： 音段特征：描述的是语音的音色特征。特征参数主要包括基音频率、共振峰位 置、共振峰带宽、基音频率、能量等。 超音段特征：描述的是语音的韵律特征。特征参数主要包括因素的时长、基音 频率的变化（音调）、能量等。 语言特征：包括习惯用语、方言、口音等。 (二)语音信号处理的理论基础进行频谱分析时，在时域数据进行短时FFT处理之前都要进行加窗处理。 在FFT处理之后，普通频谱分析可以进行频域上的滤波处理，从而使频谱更加平滑。为了得到各种音频信号的特技效果，也需要对各种变声算法进行
14、研究。1. 窗的选择一般来讲，一个好的窗函数的标准是：在时域因为是语音波形乘以窗函数，所以要 减小时间窗两端的坡度，使窗口边缘两端不引起急剧变化而平滑过渡到零，这样可以使截出的语音波形缓慢降为零，减小语音帧的阶段效应；在频域要有较宽的3dB 带宽以 及较小的边带最大值。另外一方面，不同人的基音周期变化很大，主要集中在 70Hz1000Hz。所以窗一般选择在10ms20ms 之间。此外，为了避免在加窗时加入多 余的高频信号，应该使用平滑窗，例如汉明窗。2、变声算法的讨论语声可以分为声带振动的浊音部分、声带不振动的清音部分以及静音部分。在这里，我们主要是改变原始话音的基音频率，以达到变声的目的。
15、第一种方法是不修改采样数据，仅改变Fs 。这种方法操作非常简便。第二种方法是直接乘以一个余弦函数，把语音信号频段搬移到较高频段，以达到变声的目的。第三种方法是插值以后重新抽样。基本过程是这样的：已知当前帧帧长FL（采样）点，采样频率Fs ，目标变换帧频率Fs，则目标变换帧帧长FL=FL*Fs/Fs 。记Rate = Fs/Fs ，那么FL=FL * Rate，其中Rate 为基频变化率。变换开始时，先求得FL 和FL的最小公倍数AL，再将原音频帧插值为AL点，最后将插值后的语音段重新抽样，得到长FL点的变声后的数据。 三种方法操作起来都还比较简单，但为了便于分析时域、频域特效，本设计选择了通信中常用的调制方法，即方案二。(三)Matlab基础MATLAB是Matrix Laboratory的缩写，由MathWorks公司于1984年正式推出，核采用C语言编写。MATLAB是一个包括数值
